JP7301622B2 - モータ制御装置およびモータ制御方法、光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの進角制御の技術に関する。

さまざまな分野で用いられるステッピングモータは、オープンループ制御で高精度な位置決め動作を容易に行えるが、オープンループ制御時の高負荷や高速回転により脱調する可能性がある。そこで、ステッピングモータに設けた位置センサから得られるモータの回転位相信号を用いて、回転位相に対する駆動波形の進角を制御する方法がある。この方法によれば、最適な進角制御によって回転効率を最大限に引き出すことが可能となり、高速化や省電力化を実現できる。

特許文献１では、ステッピングモータのマイクロステップ駆動において、駆動波形の周期を変更して進角値を目標値に一致させる方法が開示されている。特許文献２では、ステッピングモータのマイクロステップ駆動において、駆動波形の振幅を変更して進角値を目標値に一致させる方法が開示されている。

特許第６２７８６２２号公報 特許第６２０７２２３号公報

特許文献１に開示の技術は、モータ回転速度の高速域では優位であるが、モータ回転速度の低速域では位置センサの検出周期が長くなる。そのため、周期変動が大きくなり、モータの騒音が発生する可能性がある。また目標進角については、実験的に求めた進角と回転速度との関係のデータをメモリに記憶しておき、記憶された進角量が目標進角として設定される。しかしながらモータとこれに接続される移動部材には個体差があり、また経時変化、温度変化、姿勢差等により負荷状態が変化する。そのため、実験的に求めた進角と回転速度との関係のデータのみでは、常に最適な進角となる制御状態を得ることはできない。

特許文献２では、駆動波形に対するモータの追従遅れが９０度である時に最大効率が得られることを前提としている。しかしながらモータ回転中には逆起電力が発生することによる駆動波形の位相ずれが発生するので、逆起電力の発生状態に依って最大効率が得られる追従遅れ量は変化する。つまり、制御するべき進角量は逆起電力の影響を受けるので、一律には決めることができない。
本発明の目的は、制御対象の状態の変化に対して目標進角を変更して制御を行うことで回転効率をより高めて、高速化や省電力化を実現することである。

本発明の実施形態のモータ制御装置は、ステッピングモータのロータの回転位相を検出する検出手段と、前記ステッピングモータを駆動させる駆動波形を生成する生成手段と、前記ロータの回転位相と前記駆動波形の位相との位相差を検出し、前記駆動波形の振幅または周期を制御することにより、前記位相差を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記駆動波形の振幅の変化量に対する前記位相差の変化量から目標位相差を決定して前記駆動波形の振幅を制御する。

本発明によれば、制御対象の状態の変化に対して目標進角を変更して制御を行うことで回転効率をより高めて、高速化や省電力化を実現可能である。

実施形態に係るステッピングモータユニットの概略構成を示す図である。 モータ制御システムの構成例を示すブロック図である。 ロータマグネット、励磁コイル、回転検出部の関係を説明する図である。 追従遅れがない場合のロータ回転位相と駆動波形との関係を示す図である。 追従遅れの発生状態でのロータ回転位相と駆動波形との関係を示す図である。 進角制御によって行う補正処理の説明図である。 駆動波形の周期制御方式の動作を説明する図である。 駆動波形の振幅制御方式の動作を説明する図である。 進角と速度、振幅と進角、振幅と進角変化率の各関係を説明する図である。 第１実施形態の進角制御部が行う処理を説明するフローチャートである。 図１０に続く処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態の進角制御部が行う処理を説明するフローチャートである。 図１２に続く処理を説明するフローチャートである。 第３実施形態の進角制御部が行う処理を説明するフローチャートである。 第３実施形態における目標速度と目標進角との関係式の生成処理を説明するフローチャートである。 第３実施形態における目標速度と目標進角との関係を説明する図である。 第３実施形態における振幅制御を説明するフローチャートである。 制御方式の切換における駆動波形の振幅と進角と回転速度の関係を示す図である。 制御方式の切換における駆動波形の振幅と進角と回転速度の関係について別例を示す図である。 第４実施形態の進角制御部が行う処理を説明するフローチャートである。 第４実施形態における駆動波形の周期制御の処理を説明するフローチャートである。

以下に本発明の実施形態に係るモータ制御装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。モータ制御装置は、光学機器や撮像装置において、レンズ等の光学部材とその駆動機構を有する場合に光学部材をモータで駆動するシステムに適用可能である。本発明の各実施形態に共通する装置の構成および動作を説明した後、各実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るステッピングモータユニットの概略構成を示す。ステッピングモータ（以下、単にモータともいう）１０１は回転軸１０２を備える。モータの回転軸１０２はリードスクリューとなっており、ラック１０３と噛み合う。回転軸１０２の回転に応じて、ラック１０３に接続された図示しない移動部材が軸方向に移動する。２つのフォトインタラプタ１０４，１０５はスリット回転板１０６の回転を検出する。以下では第１のフォトインタラプタ１０４をｃｈ０－ＰＩと表記し、第２のフォトインタラプタ１０５をｃｈ１－ＰＩと表記する。

回転軸１０２とともに回転するスリット回転板１０６は、同じ幅を持つ複数の反射部と透過部を備える。反射部と透過部の数はモータの極数に応じて設定され、例えばモータの極数が１０極であれば、遮光部と透過部の数が合計で１０に設定される。本実施形態では、ｃｈ０－ＰＩおよびｃｈ１－ＰＩ、スリット回転板１０６を用いて、ステッピングモータ１０１の回転位相が検出される。

図２は、駆動用の電気回路を含めたモータ制御システムの構成例を示すブロック図である。ｃｈ０－ＰＩ（１０４）およびｃｈ１－ＰＩ（１０５）、スリット回転板１０６を用いて検出される信号はコンパレータ２０１に入力される。コンパレータ２０１は、ｃｈ０－ＰＩで検出されたアナログ入力信号と、ｃｈ１－ＰＩで検出されたアナログ入力信号を取得し、２値化処理を行う。

回転位相検出部２０２は、コンパレータ２０１によって２値化された信号の立ち上がりエッジと立ち下りエッジを検出し、ステッピングモータ１０１の回転位相を出力するとともに、フォトインタラプタの出力に係るエッジ検出信号を出力する。この検出信号をＰＩエッジ検出信号という。ＰＩはフォトインタラプタの略記号である。

駆動波形周期生成部２０３は、モータ駆動によって移動する移動部材の目標移動速度に応じて、駆動波形の周期情報を生成する。移動部材は、例えば撮像装置への適用において撮像光学系を構成する可動レンズや絞り等の光学部材またはその保持部材である。駆動波形周期生成部２０３は生成した駆動波形の周期情報を進角制御部２０４に出力する。

進角制御部２０４は、回転位相検出部２０２より出力されるＰＩエッジ検出信号を取得し、駆動波形周期生成部２０３により生成された駆動波形の周期情報に基づいてモータの進角制御を行う。進角制御部２０４は、回転位相検出部２０２より出力されるステッピングモータ１０１の回転位相と、駆動波形生成部２０５で生成される駆動波形との位相差（すなわち駆動波形の進角）を検出する。更に進角制御部２０４は、検出された進角および駆動波形周期生成部２０３からの周期情報に基づき、駆動波形生成部２０５で生成される駆動波形の振幅、周期および進角を制御する。進角制御部２０４の処理の詳細に関しては後述する。

駆動波形生成部２０５は、進角制御部２０４より出力される情報に基づく正弦波信号を生成してモータドライバ部２０６に出力する。モータドライバ部２０６は、駆動波形生成部２０５からの正弦波信号にしたがってモータ駆動信号を生成し、ステッピングモータ１０１を駆動する。

図３を参照して、ステッピングモータ１０１の回転位相と、フォトインタラプタ１０４および１０５と、スリット回転板１０６との位置関係について説明する。図３では、説明を分かり易くするために、モータ極数を２に簡略化した例を示す。

図３（Ａ）にて、ステッピングモータ１０１のロータマグネット３０１と、Ａ＋相の励磁コイル３０２およびＢ＋相の励磁コイル３０３を示す。励磁コイル３０２，３０３は、電気角で９０度（ｄｅｇｒｅｅ）ずらした位置に配置される。尚、Ａ－相とＢ－相の各励磁コイルについては図示および説明を省略する。

図３（Ａ）のスリット回転板１０６には、その遮光部（暗部）と透過部（明部）を表現している。スリット回転板１０６に対してｃｈ０－ＰＩ（１０４）とｃｈ１－ＰＩ（１０５）をそれぞれ示す。ロータマグネット３０１のＮ極とスリット回転板１０６の明部との位相が一致し、ロータマグネット３０１のＳ極とスリット回転板１０６の暗部との位相が一致する配置である。またｃｈ０－ＰＩ（１０４）はＡ＋相の励磁コイルに対して９０度ずらした位相に対応する位置に配置され、ｃｈ１－ＰＩ（１０５）はＢ＋相の励磁コイルに対して９０度ずらした位相に対応する位置に配置されている。

図３（Ｂ）は、ロータマグネット３０１の回転角に対応する状態を示す模式図である。回転角として０，９０，１８０，２７０度にそれぞれ対応する４状態を示す。図３（Ｃ）は、ｃｈ０－ＰＩ（１０４）の位置に対するロータマグネット３０１の回転位相をＳ極／Ｎ極で表し、ｃｈ０－ＰＩの検出信号の変化を示す。図３（Ｄ）は、ｃｈ１－ＰＩ（１０５）の位置に対するロータマグネット３０１の回転位相をＳ極／Ｎ極で表し、ｃｈ１－ＰＩの検出信号の変化を示す。

図４から図６を参照して、本実施形態における進角制御について説明する。図４はロータマグネット３０１の追従遅れがない場合のロータ回転位相と駆動波形との関係を示す図である。以下では、モータの回転方向として、各図に示すロータマグネット３０１が時計回りに回転する方向を正転方向とし、反時計回り方向を逆転方向と定義する。

図４（Ａ）は、ロータマグネット３０１の正転時においてロータと励磁コイルとの位置関係を示し、図３（Ｂ）に対応する図である。ロータマグネット３０１の回転角として０，９０，１８０，２７０度にそれぞれ対応する４状態を示す。図４（Ｂ）は、各回転角におけるｃｈ０－ＰＩ（１０４）の位置からみた場合の、ロータマグネット３０１のＳ極／Ｎ極の回転位相を示す。図４（Ｃ）はｃｈ０－ＰＩ（１０４）の検出信号の変化を示す。

図４（Ｄ）は、Ａ＋相励磁コイル３０２の位置での回転方向へのトルクの大きさを示す。Ａ＋相励磁コイル３０２がＮ極に励磁されている場合に、ロータマグネット３０１に対して正方向のトルクを与える場合のトルク値を正の値とする。回転角が９０度の時に正方向への最大トルクが発生し、回転角が２７０度の時に負方向への最大トルクが発生する状態となる。尚、回転角が０度および１８０度の場合には、ロータマグネット３０１とＡ＋相励磁コイル３０２とが反発し、または引き合う関係となり、回転方向へのトルクは発生しない。

図４（Ｅ）は、ロータマグネット３０１の回転角に対してＡ＋相励磁コイル３０２の駆動波形を示しており、＋側がＮ極の励磁状態を示す。横軸の設定は図４（Ｄ）と同じである。ロータマグネット３０１の回転角が９０度の時に＋側の最大励磁（Ｎ極）の状態であり、回転角が２７０度の時に－側の最大励磁（Ｓ極）の状態である。回転角が０度と１８０度の時に励磁なしの状態となるように、励磁波形の位相が決定される。図４（Ｆ）は、図４（Ｅ）の駆動波形での励磁によって得られる回転方向へのトルクの変化を示す。横軸の設定は図４（Ｄ）と同じである。

図４（Ｇ）は、ロータマグネット３０１の各回転角におけるｃｈ１－ＰＩ（１０５）の位置からみた場合の、ロータマグネット３０１のＳ極／Ｎ極の回転位相を示す。図４（Ｈ）はｃｈ１－ＰＩ（１０５）の検出信号を示す。図４（Ｉ）は、Ｂ＋相励磁コイル３０３の位置での回転方向へのトルクの大きさを示す。横軸の設定は図４（Ｄ）と同じである。Ｂ＋相励磁コイル３０３がＮ極に励磁されている場合に、ロータマグネット３０１に対して正方向のトルクを与える場合のトルク値を正の値とする。回転角が０度の時に正方向への最大トルクが発生し、回転角が１８０度の時に負方向への最大トルクが発生する状態となる。尚、回転角が９０度および２７０度の場合にはロータマグネット３０１とＢ＋相励磁コイル３０３とが反発し、または引き合う関係となり、回転方向へのトルクは発生しない。

図４（Ｊ）は、ロータマグネット３０１の回転角に対してＢ＋相励磁コイル３０３の駆動波形を示しており、＋側がＮ極の励磁状態を示す。横軸の設定は図４（Ｄ）と同じである。ロータマグネット３０１の回転角が０度の時に＋側の最大励磁（Ｎ極）の状態となり、回転角が１８０度の時に－側の最大励磁（Ｓ極）の状態となる。回転角が９０度と２７０度の時に励磁なしの状態となるように、励磁波形の位相が決定される。図４（Ｋ）は、図４（Ｊ）の駆動波形での励磁によって得られる回転方向へのトルクの変化を示す。横軸の設定は図４（Ｄ）と同じである。

図４（Ｌ）は合成トルクを示し、Ａ相で発生するトルク（図４（Ｆ）参照）と、Ｂ相で発生するトルク（図４（Ｋ）参照）とを合成したトルクがステッピングモータ１０１のトルクとなる。ロータマグネット３０１の回転角に対して、駆動波形の位相を合わせることで、最大効率のトルクが得られる。

以上では、Ａ＋励磁コイル３０２およびＢ＋相励磁コイル３０３の駆動波形に対してロータマグネット３０１の追従遅れがないか、または遅れが無視できることを前提として説明を行った。しかしながら回転状態にあるモータには逆起電力が発生するので、実際に励磁コイルに供給される駆動波形には位相遅れが発生する。位相ずれによりロータマグネット３０１の追従遅れが発生している状態でのロータ回転位相と駆動波形との関係を図５に示す。図５（Ａ）から（Ｌ）はそれぞれ図４（Ａ）から（Ｌ）に対応しているので、図４との相違点を説明し、図５（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）の説明を割愛する。

図５（Ｅ）において波形（ａ）はモータドライバ部２０６のＡ＋相励磁コイル３０２に対する出力波形を示し、波形（ｂ）は実際にＡ＋相励磁コイルに供給される駆動波形を示している。波形（ａ）に対して波形（ｂ）には位相αの遅れが発生している。図５（Ｆ）において波形（ａ）は図５（Ｅ）の波形（ａ）に対応するトルクの変化を表し、波形（ｂ）は図５（Ｅ）の波形（ｂ）に対応するトルクの変化を表す。

また図５（Ｊ）において波形（ａ）はモータドライバ部２０６のＢ＋相励磁コイル３０３に対する出力波形を示し、波形（ｂ）は実際にＢ＋相励磁コイルに供給される駆動波形を示している。波形（ａ）に対して波形（ｂ）には位相αの遅れが発生している。図５（Ｋ）において波形（ａ）は図５（Ｊ）の波形（ａ）に対応するトルクの変化を表し、波形（ｂ）は図５（Ｊ）の波形（ｂ）に対応するトルクの変化を表す。

図５（Ｆ）および（Ｋ）に示す通り、Ａ＋相励磁コイル３０２およびＢ＋相励磁コイル３０３による回転方向のトルクは波形（ｂ）の状態となる。Ａ相とＢ相とで合成したトルクは図５（Ｌ）に示す通り、最大効率である（ａ）の状態ではなく、（ｂ）の状態となる。つまり（ａ）の状態に対して効率が低下したトルク状態となる。

以上のように、駆動波形の位相ずれによってトルクの効率の低下が発生するが、本実施形態では、この位相ずれ分だけ駆動波形の位相を進めることでトルクの制御を行う。以下、進角制御の処理を説明する。

図６は、図５で説明した位相ずれによるトルク効率の低下に対して、進角制御によって補正を行う処理の説明図である。図４および図５との相違点のみ説明し、図６（Ｂ）から（Ｄ）、および（Ｇ）から（Ｉ）の説明を割愛する。

図６（Ｅ）において波形（ａ）はモータドライバ部２０６のＡ＋相励磁コイル３０２に対する出力波形を示し、波形（ｂ）は実際にＡ＋相励磁コイル３０２に供給される駆動波形を示している。モータドライバ部２０６のＡ＋相励磁コイル３０２に対する出力波形を位相αだけ進める制御が行われる。実際にＡ＋相励磁コイル３０２に供給される駆動波形は波形（ｂ）となり、ロータ磁力の位相を一致させることができる。つまり、図６（Ｄ）に示す波形に対して、図６（Ｅ）の波形（ｂ）の位相が一致することになる。

また図６（Ｊ）において波形（ａ）はモータドライバ部２０６のＢ＋相励磁コイル３０３に対する出力波形を示し、波形（ｂ）は実際にＢ＋相励磁コイル３０３に供給される駆動波形を示している。モータドライバ部２０６のＢ＋相励磁コイル３０３に対する出力波形を位相αだけ進める制御が行われる。実際にＢ＋相励磁コイル３０３に供給される駆動波形は波形（ｂ）となり、ロータ磁力の位相を一致させることができる。つまり、図６（Ｉ）に示す波形に対して図６（Ｊ）の波形（ｂ）の位相が一致することになる。

図６（Ｆ）はＡ＋相励磁コイルによる回転方向のトルクの変化を示し、図６（Ｋ）はＢ＋相励磁コイルによる回転方向のトルクの変化を示す。Ａ相とＢ相とで合成したトルクとしては図６（Ｌ）に示す通り、最大効率でのトルクが得られる。つまりモータドライバ部２０６から出力する駆動波形の位相（進角）を制御することにより、トルク制御が可能となる。

次に図７および図８を参照して進角制御方法を説明する。進角制御方法には、駆動波形の周期を変更することで進角を制御する周期制御方式と、駆動波形の振幅を変更することで進角を制御する振幅制御方式がある。

図７は駆動波形の周期制御方式の動作を説明する図である。図７（Ａ）はｃｈ０－ＰＩ（１０４）の位置から見た場合の、ロータマグネット３０１の回転位相を示す。図７（Ｂ）はこのときのｃｈ０－ＰＩの出力波形を示し、図７（Ｃ）はＡ相のモータ駆動信号を示す。尚、ここではｃｈ０－ＰＩを基準にして説明を行うが、ｃｈ１－ＰＩ（１０５）に対しても同様の関係である。この場合、図７（Ａ）はｃｈ１－ＰＩ（１０５）の位置から見た場合の、ロータマグネット３０１の回転位相を示す。図７（Ｂ）はこのときのｃｈ１－ＰＩの出力波形を示し、図７（Ｃ）はＢ相のモータ駆動信号を示すことになる。また、図７（Ｃ）において、破線の波形は進角の引き込みを行わない場合の波形であり、実線の波形は進角の引き込みを行っている時の波形である。

図７中に示すタイミング（ａ）はロータマグネット３０１のＮ極とＳ極との境界に対応するタイミングであり、その次のタイミングを（ｂ）に示す。タイミング（ａ）で進角制御部２０４は進角としてα（ｄｅｇｒｅｅ）を検出したとする。現在の駆動波形の周期をＴと表記する。目標進角α^＊（ｄｅｇｒｅｅ）が設定されている場合、進角制御部２０４は現在の駆動波形の周期Ｔから、「α^＊－α」だけ補正した周期（Ｔ^＊と記す）を算出する。つまり、「Ｔ^＊＝Ｔ－（α^＊－α）」の関係である。補正前の駆動波形（破線）の周期はＴであり、補正後の駆動波形（実線）の周期はＴ^＊である。進角制御部２０４は補正した周期Ｔ^＊を周期情報として駆動波形生成部２０５に出力する。駆動波形の周期をＴからＴ^＊に変更することによって、駆動波形の進角はタイミング（ｂ）で目標進角α^＊に制御される。

図８は駆動波形の振幅制御方式の動作を説明する図である。図８（Ａ）から（Ｃ）は図７と同様、ロータマグネット３０１の回転位相、ｃｈ０－ＰＩの出力波形、モータ駆動制御信号をそれぞれ示している。図８のタイミング（ａ）で進角制御部２０４が進角としてα（ｄｅｇｒｅｅ）を検出したとする。これに対して目標進角α^＊（ｄｅｇｒｅｅ）が設定されている場合、進角制御部２０４は現在の駆動波形の振幅を変更する。つまり、現在の振幅ｍはｍ^＊に変更される。例えば、現在の進角αよりも目標進角α^＊を大きくする場合、振幅ｍ^＊は振幅ｍよりも小さい値に変更される。変更前の駆動波形（破線）の振幅はｍであり、変更後の駆動波形（実線）の振幅はｍ^＊である。振幅を小さくすることによってロータの追従に遅れが生じ、回転周期がτからτ^＊に変化する（τ＜τ^＊）。この結果、進角は目標進角α^＊に到達する。尚、目標進角α^＊を現在の進角αよりも小さくする場合には振幅ｍ^＊が振幅ｍよりも大きい値に変更され、ロータの追従の遅れを小さくする方向に制御が行われる。
進角制御部２０４における進角の引き込み方法を踏まえて、以下の実施形態にて進角制御を詳説する。

［第１実施形態］
本実施形態では、目標位相差である目標進角の決定方法に関して、振幅制御方式の例を説明する。図９は進角と速度、振幅と進角、振幅と進角変化率の各関係を説明する図である。図９（Ａ）は、ロータマグネット３０１の回転位相に対する駆動波形の進角（単位：ｄｅｇｒｅｅ）を横軸にとり、駆動可能な回転速度（単位：ｐｕｌｓｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）を縦軸にとって両者の関係を示す図である。各グラフには、モータドライバ部２０６より出力される駆動波形の振幅（単位：ボルト）を１．０～５．０Ｖの範囲で０．５Ｖ刻みで示している。

図９（Ａ）に示す領域Ｔ１は、進角を０度から大きくしていった場合、進角と速度との関係が一定となるリニア領域である。領域Ｔ２は、領域Ｔ１から更に進角を大きくした場合に速度の上昇が飽和する領域である。領域Ｔ３は、領域Ｔ２から更に進角を大きくした場合に速度が急激に低下していく領域である。

ここで、目標回転速度を４００ｐｐｓに設定し、駆動振幅をその最大値５．０Ｖから徐々に下げていく場合を想定する。Ｐ線は４００ｐｐｓに相当し、横軸に平行な直線である。５Ｖから駆動振幅を下げていくと、進角と速度とが線形関係となるリニア領域Ｔ１では、振幅の変化に伴って進角が徐々に変化する。これを図９（Ａ）のＰ線上の矢印（１）で示す。この状態は２．５Ｖ付近まで続く。さらに駆動振幅を下げていくと、進角と速度との関係が飽和する領域Ｔ２に達する。領域Ｔ２では図９（Ａ）のＰ線上の矢印（２）に示すように、駆動振幅の変化に対する進角の変化が急激に大きくなり、やがて速度が飽和するポイント（Ｍと記す）に到達する。速度が飽和するポイントＭでは、最大効率が得られる進角となる。

図９（Ｂ）は振幅（単位：ボルト）を横軸にとり、進角（単位：ｄｅｇｒｅｅ）を縦軸にとって両者の関係を示す図である。図９（Ｂ）は目標回転速度（４００ｐｐｓ）を示すＰ線をたどって駆動波形の振幅に対する進角を示している。図９（Ｃ）は振幅（単位：ボルト）を横軸にとり、進角変化率（単位：ｄｅｇｒｅｅ／Ｖ）を縦軸にとって両者の関係を示す図である。進角変化率は、振幅の変化量に対する進角の変化量の比率を表す。

図９（Ｂ）および（Ｃ）にて振幅を５．０Ｖから下げていくと、２．５Ｖ程度まで（領域Ｔ１参照）は進角の変化率はわずかである。２．５Ｖから２．０Ｖ（領域Ｔ２参照）では、進角の変化率が急激に大きくなる。つまり領域Ｔ２では、わずかな電圧の変化で進角は大きく変化していることが分かる。図９（Ｂ）に示すポイントＮは進角の変化量が急変する位置に相当する。進角の変化量を検出して変化量が急激に大きくなるポイントＮに対応する進角を目標進角に設定すれば、０．５Ｖ以下の誤差の範囲内で最大効率が得られることになる。尚、説明の便宜上、駆動波形の振幅を０．５Ｖ刻みで説明するが、実際の制御では更に細かい刻みでの制御が実施される。

図１０および図１１を参照して進角制御部２０４が行う処理を説明する。図１０および図１１は、図９で説明した目標進角（目標位相差）の探索処理を説明するフローチャートである。進角制御部２０４は回転位相検出部２０２より出力されるＰＩエッジ検出信号に基づいて以下の処理を実行する。

まず図１０のＳ１００１にて進角制御部２０４は、前回処理で検出された進角、および前回処理で算出された駆動波形の振幅を各々、進角（ｎ－１）、振幅（ｎ－１）に退避する。進角（ｎ－１）、振幅（ｎ－１）は、ｎ－１回目の処理で取得された進角値、振幅値をそれぞれ表す。Ｓ１００２では割り込み要因の判定処理が実行される。ＰＩエッジ検出信号のエッジ検出要因に応じてＳ１００３～Ｓ１００６に分岐する。ｃｈ０－ＰＩ（１０４）の立ち上がりエッジの検出でＳ１００３へ移行し、ｃｈ１－ＰＩ（１０５）の立ち上がりエッジの検出でＳ１００４へ移行する。ｃｈ０－ＰＩ（１０４）の立ち下がりエッジの検出でＳ１００５へ移行し、ｃｈ１－ＰＩ（１０５）の立ち下がりエッジの検出でＳ１００６へ移行する。Ｓ１００３～Ｓ１００６の処理で進角が検出される。進角（ｎ）はｎ回目の処理で取得された進角値を表す。

ロータの追従遅れがない場合のロータ回転位相と駆動波形との関係は、以下のとおりである。
・ｃｈ０－ＰＩ（１０４）の立ち上がりエッジでは位相角０度
・ｃｈ１－ＰＩ（１０５）の立ち上がりエッジでは位相角９０度
・ｃｈ０－ＰＩ（１０４）の立ち下がりエッジでは位相角１８０度
・ｃｈ１－ＰＩ（１０５）の立ち下がりエッジでは位相角２７０度。
進角はこの位相角からのずれであるので、エッジ検出要因に応じて各々Ｓ１００３～Ｓ１００６の処理によって現在の進角を取得できる。例えば、Ｓ１００４ではＡ相駆動波形の位相から位相角９０度を減算した値が「進角（ｎ）」として検出される。

Ｓ１００３～Ｓ１００６の処理後、Ｓ１００７の処理に進む。Ｓ１００７にて、駆動波形周期生成部２０３より入力される周期情報に変更があるかどうかの判別処理が実行される。周期情報の変更により、駆動波形周期が変更される場合、Ｓ１００８に進み、周期情報に変更がない場合にはＳ１０１０に進む。

Ｓ１００８では、駆動波形の振幅および目標進角の初期化処理が行われる。初期化では振幅（ｎ）が最大電圧５Ｖに更新されるとともに、目標進角が３６０度に設定される。３６０度は目標進角が未設定状態であることを意味する。本実施形態では最大電圧を５Ｖと定義しているが、この限りではなく、設定された駆動周期でモータを回転可能な電圧を設定すればよい。Ｓ１００９では駆動波形の周期が設定される。そしてリターン処理へ移行する。

Ｓ１０１０以降の処理は本実施形態における目標進角の探索処理である。Ｓ１０１０で進角制御部２０４は、今回検出された「進角（ｎ）」と前回検出された「進角（ｎ－１）」との差分から、ＰＩエッジ検出期間で発生した「進角変化量（ｎ）」を算出する。進角制御部２０４は更に、今回設定された駆動波形の「振幅（ｎ）」と前回設定された駆動波形の「振幅（ｎ－１）」との差分から、ＰＩエッジ検出期間で発生した「振幅変化量（ｎ）」を算出する。次にＳ１０１１で進角制御部２０４は、算出された進角変化量（ｎ）と振幅変化量（ｎ）から、下記式（１）により、進角変化率（ｎ）を算出する。
進角変化率（ｎ） ＝ 進角変化量（ｎ）／振幅変化量（ｎ） ・・・（式１）

Ｓ１０１１の次に、図１１のＳ１０１２に進み、進角制御部２０４は目標進角が未設定（３６０度）であって、且つ進角変化率が閾値（Ｓと記す）未満であるか否かを判定する。ここで閾値Ｓの設定に関して図９を使って補足説明を行う。目標進角は速度が飽和する進角ポイント（Ｍ）に対応する進角値に設定することが理想的である。しかしながら進角変化率は図９（Ｃ）に示すように、ステッピングモータ１０１のコギングや、ステッピングモータ１０１に加わる負荷変動、駆動波形のノイズ等による影響を受けて変動する。この変動に基づくマージンを設ける必要がある。つまり、（式１）における進角変化量（ｎ）として、上記要因による進角変動成分を設定した場合に算出される進角変化率（ｎ）が、上記要因により発生する進角変化率となる。そこで領域Ｔ１における進角変化率（ｎ）に対して上記要因により発生する進角変化率を加えた進角変化率が閾値Ｓとして設定される。

Ｓ１０１２にて目標進角が未設定であって、且つ進角変化率が閾値未満であると判定された場合、Ｓ１０１３の処理に進む。この判定条件を満たさない場合、つまり目標進角が設定済みであるか、または進角変化率が閾値Ｓ以上であることが判定された場合にはＳ１０１４の処理に進む。

Ｓ１０１３で進角制御部２０４は、駆動波形の「振幅（ｎ）」を固定の振幅調整量分だけ補正する。固定の振幅調整量は、目標進角の探索に必要な測定分解能を得ることができる調整量である。進角制御部２０４は駆動波形周期生成部２０３で指定された周期情報と、今回設定された駆動波形の振幅情報を駆動波形生成部２０５に出力して駆動波形を制御する。Ｓ１０１３の処理後、リターン処理へ移行する。

Ｓ１０１４で進角制御部２０４は、目標進角が未設定状態（３６０度）であるかどうかを判定する。目標進角が未設定状態であった場合、Ｓ１０１５に進み、進角制御部２０４は、その時の「進角（ｎ）」を目標進角として設定する。

Ｓ１０１５の次にＳ１０１６の処理に進み、または、Ｓ１０１４で目標進角が設定済みの状態であった場合にＳ１０１６の処理に進む。Ｓ１０１６からＳ１０２２の処理は本実施形態における振幅制御方式による進角制御の処理である。

Ｓ１０１６にて進角制御部２０４は誤差量として、目標進角に対する、検出された進角（ｎ）のずれ量を算出する。つまり「誤差量＝進角（ｎ）－目標進角」である。次いでＳ１０１７にて進角制御部２０４は、算出された誤差量が閾値を超えているか否かを判定する。図９（Ｂ）のΔＰは閾値を表し、Ｐ３はポイントＮを基準として誤差量が－ΔＰから＋ΔＰ以内の領域である。またＰ１はポイントＮを基準として誤差量が＋ΔＰより大きい領域であり、Ｐ２はポイントＮを基準として誤差量が－ΔＰ未満（負方向に大きい）の領域である。誤差量が＋ΔＰを超えていると判定された場合（図９（Ｂ）の領域Ｐ１）、素早く振幅を上げて、飽和点（Ｍ）を超えないように制御しなければならない。そこでＳ１０１８に進み、進角制御部２０４は振幅調整量のゲインとして、大きなゲイン（Ｋ１と記す）を選択し、誤差量にゲインＫ１を乗算して大きな振幅調整量を算出する。

一方、Ｓ１０１７にて、算出された誤差量が＋ΔＰ以下であることが判定された場合、Ｓ１０１９の処理に進む。Ｓ１０１９で進角制御部２０４は、算出された誤差量が－ΔＰ未満であるか否かを判定する。誤差量が－ΔＰ未満であると判定された場合（図９（Ｂ）の領域Ｐ２）、目標進角への引き込み中となるので、進角制御部２０４は引き込みを速くするために素早く振幅を下げる制御を行う。つまりＳ１０２０で進角制御部２０４は振幅調整量のゲインとして、大きなゲイン（Ｋ２と記す）を選択し、誤差量にゲインＫ２を乗算して大きな振幅調整量を算出する。誤差量が－ΔＰ未満となる図９（Ｂ）の領域Ｐ２は、誤差量が＋ΔＰを超える領域Ｐ１に対して、振幅変化量に対する進角変化量が小さくなる領域である。そのため、ゲインＫ２はゲインＫ１よりも大きな値が設定される。

Ｓ１０１９にて誤差量が－ΔＰ以上であると判定された場合（図９（Ｂ）の領域Ｐ３）、目標進角への引き込みが完了しているので、進角制御部２０４は目標進角付近で進角が安定状態となるように制御を行う。Ｓ１０２１で進角制御部２０４は振幅調整量のゲインとして、小さなゲイン（Ｋ３と記す）を選択し、誤差量にゲインＫ３を乗算して小さな振幅調整量を算出する。

Ｓ１０１８、Ｓ１０２０、Ｓ１０２１で振幅調整量が設定された後、Ｓ１０２２の処理に進む。Ｓ１０２２で進角制御部２０４は、駆動波形の「振幅（ｎ－１）」を、設定された振幅調整量分だけ補正して「振幅（ｎ）」を算出する。進角制御部２０４は駆動波形周期生成部２０３で指定された周期情報と、今回設定された駆動波形の振幅情報を駆動波形生成部２０５に出力して駆動波形を制御する。Ｓ１０２２の処理後、リターン処理へ移行する。

ここで、±ΔＰの範囲およびゲインの設定に関して図９を使って補足説明を行う。進角は図９（Ｂ）に示すように、モータのコギング等による負荷変動の影響を受けて変動する。この負荷変動に対する応答性を高くしすぎると制御が不安定化することが懸念される。そこで、モータのコギング等による負荷変動に起因した進角の変動には追従しないように、±ΔＰの範囲およびゲインが設定される。

本実施形態では、進角制御時の目標進角（目標位相差）の決定方法として、進角変化率（ｎ）が閾値以上（Ｓ以上）となる進角が目標進角として設定される。この目標進角の設定方法および振幅制御方式による進角制御によれば、モータ、移動部材の個体差（ばらつき）や、経時変化、温度変化、姿勢差等による負荷のばらつきがあっても、最適な進角を探索して制御が行われる。よって、常に効率的な駆動トルクを得ることができる。

本実施形態では、ロータマグネット３０１の回転位相検出にフォトインタラプタおよびスリット回転板を使った構成を説明した。これに限らず、回転検出用にホールセンサやＭＲセンサを用いてもよい。また位置検出用信号として２値信号の例を示したが、正弦波状信号でも構わない。この場合、位置検出信号の正弦波の位相と、駆動信号の正弦波の位相との比較によって進角が検出されることになる。これらの事項については後述の実施形態でも同じである。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、進角制御部２０４による目標進角の決定方法として、進角変化率が連続して増加方向に変化することが判定された進角を目標進角として設定する例を示す。本実施形態にて第１実施形態と同様の事項については既に使用した符号や記号を用いることにより説明を省略する。このような説明の省略方法は後述の実施形態でも同じである。

図１２および図１３を参照して、本実施形態の進角制御部２０４が行う処理を説明する。図１２および図１３のフローチャートでは、図１０のＳ１００１と図１１のＳ１０１２の処理が、Ｓ１１０１とＳ１１１２の処理に変更されている。以下、差異部分であるＳ１１０１およびＳ１１１２のみ説明する。

図１２のＳ１１０１では、Ｓ１００１の処理に対し、「前回／前々回の処理で算出された進角変化率を各々進角変化率（ｎ－１）、進角変化率（ｎ－２）に退避する処理」が追加される。また図１２のＳ１０１１の次に、図１３のＳ１１１２の処理では目標進角が設定済みであるか、または「進角変化率（ｎ）＞進角変化率（ｎ－１）＞進角変化率（ｎ－２）」となることを判定する処理に変更される。Ｓ１１１２において、目標進角が設定済みであるか、または進角変化率が２回連続して増加方向に変化したことが判定された場合、Ｓ１０１４の処理に進む。またＳ１１１２の判定条件を満たさない場合にはＳ１０１３の処理に進む。

本実施形態では、進角変化率が２回連続して増加方向に変化することを判定する処理を説明したが、連続の回数は判定の信頼性の高さに応じて適宜に変更可能である。判定の信頼性が高い場合には、１回の増加方向の変化（進角変化率（ｎ）＞進角変化率（ｎ－１））に設定してもよいし、判定の信頼性が低い場合にはさらに判定の回数を増やしてもよい。
本実施形態によれば、進角変化率を連続して判定して最適な進角を探索して進角制御を行うので、より効率的な駆動トルクを得ることができる。

［第３実施形態］
本実施形態では、移動部材の基準位置を設定するキャリブレーション動作時にて、目標速度に対する目標進角の設定を行う方法に関して説明する。図１４、図１５、図１７は本実施形態の進角制御部２０４が行う処理を示すフローチャートである。図１６は目標速度と目標進角との関係式を説明する図である。

図１４のＳ１２０１にて、進角制御部２０４はキャリブレーションフラグがクリアされているかどうかを判定する。キャリブレーション処理とは、ラック１０３を介してステッピングモータの回転軸１０２に接続された移動部材の絶対位置を検出するために移動座標の基準位置を探索する処理である。キャリブレーションの動作については公知であるので説明を割愛する。キャリブレーションフラグはキャリブレーションの完了状態を示すフラグである。キャリブレーションフラグがクリアされていると判定された場合、Ｓ１２０２のキャリブレーション処理に進む。キャリブレーションフラグがセットされていると判定された場合にはＳ１２１０の処理に進む。電源投入時にはキャリブレーションフラグはクリアされており、必ずＳ１２０１からＳ１２０２に進んでキャリブレーション処理が実行される。

Ｓ１２０３で進角制御部２０４は、目標進角（ＭＡＸ速）、目標進角（ＭＩＮ速）にそれぞれ３６０度を設定する。目標進角（ＭＡＸ速）は最高速度での目標進角を表し、目標進角（ＭＩＮ速）は最低速度での目標進角を表す。３６０度は目標進角が未設定状態であることを意味する。Ｓ１２０４で進角制御部２０４は目標進角（ＭＡＸ速）、目標進角（ＭＩＮ速）の探索処理を行う。探索結果に基づき目標速度と目標進角との関係式を生成する処理が実行される。その詳細については後述する。

次いでＳ１２０５で進角制御部２０４は、キャリブレーション時の温度（Ｃａｌ）、およびキャリブレーション時の姿勢（Ｃａｌ）を設定する。温度（Ｃａｌ）は、現時点でサーミスタ等によって検出された温度（現在）により設定され、姿勢（Ｃａｌ）は、現時点で姿勢検出センサ等によって検出された装置の姿勢（現在）により設定される。

以上のように、Ｓ１２０４における目標速度と目標進角との関係式を生成するための処理は、キャリブレーション時の探索動作中に実施される。Ｓ１２０６では目標進角（ＭＡＸ速）が設定されたか否かが判定される。目標進角（ＭＡＸ速）が設定されたと判定された場合、Ｓ１２０７に進み、設定されていない場合にはリターン処理へ移行する。Ｓ１２０７では目標進角（ＭＩＮ速）が設定されたか否かが判定される。目標進角（ＭＩＮ速）が設定されたと判定された場合、Ｓ１２０８に進み、設定されていない場合にはリターン処理へ移行する。

Ｓ１２０８ではキャリブレーションが完了したか否かが判定される。キャリブレーションが完了したと判定された場合、Ｓ１２０９に進み、完了していないと判定された場合にはリターン処理へ移行し、キャリブレーションを続行する。

Ｓ１２０９で進角制御部２０４はキャリブレーションフラグをセットし、一連のキャリブレーション動作を完了してリターン処理へ移行する。キャリブレーションフラグがセットされた後には、Ｓ１２０１からＳ１２１０へ処理を進める。

ここで進角と速度との関係について説明する。ステッピングモータの特性は温度により変化するので、進角と速度との関係には変化が発生する。また、回転軸１０２とラック１０３との接触部にはグリスが塗布されているが、このグリスにも温度による特性変化が発生するため、更に進角と速度との関係に変化が加わる。それ以外にも回転軸１０２やラック１０３、移動部材自体にも熱膨張等による移動時の負荷変動が発生するので、更に進角と速度との関係に変化が加わることになる。また、装置の姿勢変化が発生した場合、回転軸１０２とラック１０３との接触部における、移動部材の自重のかかり方が変化することで接続部の摺動の負荷が変化するので、やはり進角と速度との関係に変化が発生する。

進角と速度との関係において、モータと、モータに接続される移動部材には個体差があり、また経時変化、温度変化、姿勢差により負荷状態が変化する。そのため、実験的に求めた進角と回転速度との関係だけでは、常に最適な目標進角での制御状態を得ることはできない。そこで本実施形態では、電源投入時のキャリブレーション動作時に目標進角の更新を行うことで、経時変化に対して常に最適な目標進角での制御状態を実現可能である。また温度変化、姿勢差により負荷変動がある場合でも、目標進角の更新を行うことによって最適な目標進角での制御状態を実現可能である。

図１４のＳ１２１０で進角制御部２０４は、前回のキャリブレーション時の装置の温度（Ｃａｌ）から、サーミスタ等によって検出された温度（現在）を減算した温度差を、温度変化の閾値（Ｔｏと記す）と比較する。装置の温度（Ｃａｌ）は周囲環境の熱源や気温等によって変化する。閾値Ｔｏについては、進角と速度との関係が変化することにより最適な進角制御ができなくなる温度として設定される。温度差が閾値Ｔｏより大きい場合、Ｓ１２１２の処理に進み、温度差が閾値以下である場合、Ｓ１２１１の処理に進む。

Ｓ１２１１で進角制御部２０４は、前回のキャリブレーション時の装置の姿勢（Ｃａｌ）に対して、姿勢検出センサ等によって検出された姿勢（現在）が変化したかどうかを判定する。例えば撮像装置への適用例では、姿勢検出センサ（ジャイロセンサ、加速度センサ等）によって、ユーザが装置を把持する状態の変化や身体の揺れ等を検出することができる。装置の姿勢（現在）の変化が検出された場合、Ｓ１２１２の処理に進み、姿勢（現在）の変化が所定の許容範囲内である場合にはＳ１２１３の処理に進む。

Ｓ１２１２ではキャリブレーションフラグがクリアされる。この場合、Ｓ１２０２からＳ１２０５の処理が再実施され、目標進角が更新されることになる。また、キャリブレーションが完了した場合には、Ｓ１２１３にて駆動波形の振幅制御が行われる。Ｓ１２１２、Ｓ１２１３の処理後、リターン処理へ移行する。

次に図１５を参照し、目標進角を更新して目標速度と目標進角との関係式を生成する処理（図１４：Ｓ１２０４）について説明する。先ずＳ１３０１で進角制御部２０４は、移動部材の目標速度に応じて設定可能な最大速度で探索した目標進角が設定されているか否かを判定する。この目標進角を目標進角（ＭＡＸ速）とする。目標進角（ＭＡＸ速）が未設定である場合、Ｓ１３０２の処理に進み、目標進角（ＭＡＸ速）が設定済である場合にはＳ１３０６の処理に進む。

Ｓ１３０２で進角制御部２０４は目標回転速度を最大速度に設定し、Ｓ１３０３で目標進角の探索処理を実行する。目標進角の探索処理は、第１実施形態にて図１０および図１１で説明したＳ１００１からＳ１０２２の処理である。あるいは目標進角の探索処理は、第２実施形態にて図１２および図１３で説明したＳ１１０１、Ｓ１００２からＳ１０１１、Ｓ１１１２、Ｓ１０１３からＳ１０２２の処理である。処理の説明はすでに行っているので、探索処理の説明を割愛する。

図１５のＳ１３０４で進角制御部２０４は、目標進角の探索が完了して目標進角が設定されたか否かを判定する。目標進角が未設定である場合、Ｓ１３０５の処理に進み、目標進角が設定済みである場合にはリターン処理へ移行する。Ｓ１３０５にて進角制御部２０４は、探索された目標進角を目標進角（ＭＡＸ速）として設定した後、リターン処理へ移行する。

目標進角（ＭＡＸ速）が設定された後の次の処理では、Ｓ１３０１からＳ１３０６の処理に進む。Ｓ１３０６では進角制御部２０４は、移動部材の目標速度に応じて設定可能な最小速度で探索した目標進角が設定されているか否かを判定する。この目標進角を目標進角（ＭＩＮ速）とする。目標進角（ＭＩＮ速）が設定されていない場合、Ｓ１３０７の処理に進み、目標進角（ＭＩＮ速）が設定されている場合にはリターン処理へ移行する。

Ｓ１３０７で進角制御部２０４は、目標回転速度を最小速度に設定し、Ｓ１３０８で目標進角の探索処理を実行する。この探索処理はＳ１３０３の処理と同様である。Ｓ１３０９で進角制御部２０４は目標進角の探索が完了して目標進角が設定されたか否かを判定する。目標進角が未設定である場合、Ｓ１３１０の処理に進み、目標進角が設定済みである場合にはＳ１３１１の処理に進む。

Ｓ１３１０で進角制御部２０４は、探索された目標進角を、目標進角（ＭＩＮ速）として設定する。Ｓ１３１１で進角制御部２０４は、探索された目標速度（ＭＡＸ速）、目標速度（ＭＩＮ速）から目標速度と目標進角との関係式を生成する。図１６を参照して、目標速度と目標進角との関係を具体的に説明する。

図１６は、横軸にロータの回転位相に対する駆動波形の進角（単位：ｄｅｇｒｅｅ）をとり、縦軸に駆動可能な回転速度（単位：ｐｕｌｓｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）をとって両者の関係を示す図である。モータドライバ部２０６より出力される駆動波形の振幅を１．０から５．０Ｖの範囲にて０．５Ｖ刻みで示している。「測定ポイントＭＡＸ」は、目標回転速度の最大値であるＭＡＸ速に対応する測定ポイントを表し、最大振幅５．０Ｖのグラフ曲線上の飽和点に位置している。また「測定ポイントＭＩＮ」は、目標回転速度の最小値であるＭＩＮ速に対応する測定ポイントを表し、最小振幅１．０Ｖのグラフ曲線上で飽和点に位置している。

図１５に示すＳ１３０３の処理では、図１６における進角－速度特性の飽和点である「測定ポイントＭＡＸ」にむかって探索が実施される。また図１５に示すＳ１３０８の処理では、図１６における進角－速度特性の飽和点である「測定ポイントＭＩＮ」にむかって探索が実施される。直線Ｑは、Ｓ１３０３で探索された「測定ポイントＭＡＸ」とＳ１３０８で探索された「測定ポイントＭＩＮ」とを結ぶ直線である。つまり、これらの測定ポイントの間に存在する、駆動波形の振幅での進角－速度特性の飽和点とほぼ一致するポイントをたどって直線Ｑが引かれている。この関係から目標回転速度に対して、最大効率が得られる目標進角は直線Ｑの関係式により得られることが分かる。

直線Ｑの関係式は下記（式２）の一次式で表される。ａは直線Ｑの傾きを表す定数であり、ｂは直線Ｑの切片を表す定数である。
目標速度＝ａ×目標進角＋ｂ
ａ＝（目標速度（ＭＡＸ速）－目標速度（ＭＩＮ速））／（目標進角（ＭＡＸ速）－目標進角（ＭＩＮ速））
ｂ＝ 目標速度（ＭＡＸ速）－ａ×目標進角（ＭＡＸ速）
・・・・（式２）
図１５のＳ１３１１では、（式２）を使って目標速度と目標進角との関係式が生成される。

次に図１７のフローチャートを参照して、図１４に示すＳ１２１３の駆動波形振幅制御の処理について説明する。まずＳ１５０１で進角制御部２０４は、駆動波形周期生成部２０３が生成した周期情報から目標速度を取得する。進角制御部２０４は図１５のＳ１３１１で（式２）に基づき生成された目標速度と目標進角との関係式から、目標速度に対する目標進角を算出する。

Ｓ１５０２で進角制御部２０４は誤差量を算出する。目標進角に対する検出された進角（ｎ）のずれ量、つまり、進角（ｎ）から目標進角を減算した量が誤差量である。次にＳ１５０３で進角制御部２０４は、算出された誤差量が＋ΔＰ（図９（Ｂ）参照）を超えているか否かを判定する。誤差量が＋ΔＰを超えていると判定された場合（図９（Ｂ）の領域Ｐ１参照）、Ｓ１５０４に処理に進み、誤差量が＋ΔＰ以下であると判定された場合、Ｓ１５０５に処理に進む。

Ｓ１５０４で進角制御部２０４は、誤差量に対するゲイン乗算を行い、振幅調整量を算出する。この場合、素早く振幅を上げて、回転速度が飽和点（Ｍ）を超えないように制御しなければならない。そこで、大きなゲインＫ１が選択され、誤差量にゲインＫ１を乗算した大きな振幅調整量が算出される。

Ｓ１５０５で進角制御部２０４は、算出された誤差量が－ΔＰ（図９（Ｂ）参照）未満であるか否かを判定する。誤差量が－ΔＰ未満であると判定された場合（図９（Ｂ）の領域Ｐ２参照）、Ｓ１５０６の処理に進み、誤差量が－ΔＰ以上であると判定された場合にはＳ１５０７の処理に進む。

Ｓ１５０６で進角制御部２０４は、誤差量に対するゲイン乗算を行い、振幅調整量を算出する。この場合、目標進角への引き込み中となるので、引き込みを速くする目的で素早く振幅を下げるために、ゲインＫ１よりも大きなゲインＫ２が選択され、誤差量にゲインＫ２を乗算した大きな振幅調整量が算出される。つまり図９（Ｂ）にて、誤差量が－ΔＰ未満となる領域Ｐ２では、誤差量が＋ΔＰを超える領域Ｐ１に対して、振幅変化量に対する進角変化量が小さくなるので、Ｋ２＞Ｋ１を満たす、更に大きなゲインが設定される。

Ｓ１５０７で進角制御部２０４は、誤差量に対するゲイン乗算を行い、振幅調整量を算出する。この場合、誤差量が－ΔＰ以上であり（図９（Ｂ）の領域Ｐ３参照）、目標進角への引き込みが完了している。よって、目標進角付近で進角が安定状態となるように制御するために、振幅調整用のゲインとしては、ゲインＫ１に比べて小さなゲインＫ３が選択され、誤差量にゲインＫ３を乗算した小さな振幅調整量が算出される。

Ｓ１５０４、Ｓ１５０６、Ｓ１５０７の処理後、Ｓ１５０８にて進角制御部２０４は、設定された振幅調整量分の補正を行い、駆動波形の「振幅（ｎ）」を算出する。つまり、前回の「振幅（ｎ－１）」に振幅調整量を加算して今回の「振幅（ｎ）」が算出される。進角制御部２０４は、駆動波形周期生成部２０３で指定された周期情報と、今回設定された駆動波形の振幅情報を駆動波形生成部２０５に出力し、駆動波形を制御する。

本実施形態では、モータ、移動部材の個体差（ばらつき）や、経時変化、温度変化、姿勢差等による負荷のばらつきがあっても、最適な進角を探索して制御を行うので、常に効率的な駆動トルクを得ることができる。更に本実施形態では、目標進角の探索および速度－進角関係式の設定をキャリブレーション時に実施する。よって、目標速度が変更されたときに実施される目標進角の探索動作は不要となり、より早く最適な進角で制御を行うことができる。

［第４実施形態］
本実施形態では、周期制御方式と振幅制御方式とを選択する方法に関して説明を行う。図１８は、モータの目標回転速度に応じて周期制御方式と振幅制御方式とを切り換える処理を説明する図である。図１８の横軸および縦軸の設定については図９と同じであり、各グラフにはモータドライバ部２０６より出力される駆動波形の振幅を１．０Ｖから５．０Ｖの範囲で０．５Ｖ刻みで示す。本実施形態では、制御方式切換の閾値となる回転速度を４００ｐｐｓと定義し、回転速度が４００ｐｐｓより大きいときに周期制御方式を用い、回転速度が４００ｐｐｓ以下のときに振幅制御方式を用いる。

図１８（Ａ）は目標回転速度を２００ｐｐｓから５００ｐｐｓまで上げるときの駆動振幅、速度、進角の関係を示している。進角制御部２０４は目標回転速度を徐々に上げていく際に、４００ｐｐｓ以下の場合に振幅制御を行い、最大効率が得られる目標進角に従って電圧を変更する。進角制御部２０４は、１．５Ｖのグラフ線上で２００ｐｐｓに対応する現在のポイントから、矢印（１）で示すように振幅制御を行いながら回転速度を上昇させる。

４００ｐｐｓより大きい値を目標回転速度に設定する場合、進角制御部２０４はＰ線上の矢印（２）で示すように、まず回転速度４００ｐｐｓで駆動振幅を３．０Ｖまで上げる。この処理を行わずに矢印（１）で示す制御後、すぐに周期制御方式に切り替えた場合には、矢印（１）の終端位置に対応する２．５Ｖ程度で振幅が固定されてしまい、必要トルクが得られない。

その後、進角制御部２０４は矢印（３）で示すように振幅を３．０Ｖに固定したままで進角量を制御し、目標回転速度である５００ｐｐｓに到達させる。ここで、周期制御に関して説明を補足する。先に説明した通り、領域Ｔ１は進角と回転速度とが線形関係となるリニア領域である。したがって、あらかじめ進角と回転速度との関係式を設定することによって、進角を調整することで回転速度が制御可能となる。矢印（３）に示す領域、つまり周期制御方式の制御が行われる領域では進角量を変更して加速させる制御が行われる。

一方、図１８（Ｂ）を参照して、減速制御を説明する。現在の回転速度を５００ｐｐｓとし、切換回転速度を４００ｐｐｓとし、目標回転速度を２００ｐｐｓとする。矢印（１）で示すように、回転速度を５００ｐｐｓから４００ｐｐｓまでの間は、図１８（Ａ）の矢印（３）の場合と同様に、周期制御方式の領域である。つまり、進角制御部２０４は進角量を変更して減速させる制御を行う。

回転速度が４００ｐｐｓに到達すると、Ｐ線上の矢印（２）で示す領域で進角制御部２０４は振幅制御方式に切り替え、最大効率が得られる振幅まで電圧を下げる制御を行う。最大効率となる振幅まで下がった後、進角制御部２０４は矢印（３）で示すように、最大効率を維持するように２００ｐｐｓまで速度を下げていく。

以上のように高速域では応答性を優先させるために高トルクが得られる周期制御方式が用いられ、低速域では静音性を維持しつつ効率的な電圧で制御できる振幅制御方式が用いられる。ただし、低速域においても応答性が求められる駆動モードにおいては、４００ｐｐｓ以下であっても周期制御を用いるものとする。この場合の制御について図１９を用いて説明する。図１９の横軸および縦軸等の設定については図１８と同じである。

図１９（Ａ）は、現在の回転速度２００ｐｐｓから周期制御方式によって目標回転速度５００ｐｐｓまで回転速度を上げる処理の説明図である。進角制御部２０４は、矢印（１）で示すように、回転速度が２００ｐｐｓである時点で、周期制御に必要な３．０Ｖまで振幅を上げる。その後、進角制御部２０４は図１８（Ａ）の矢印（３）の場合と同様に、進角量を変更して図１９（Ａ）にて矢印（２）で示すように目標回転速度５００ｐｐｓに到達させる。

一方、減速の処理で速度を下げる場合を、図１９（Ｂ）で説明する。まず進角制御部２０４は周期制御方式を用いて駆動振幅を３．０Ｖとしたまま、矢印（１）で示すように進角量を変化させることで回転速度を２００ｐｐｓまで到達させる。回転速度を下げたあとで進角制御部２０４は、矢印（２）で示すように振幅制御方式によって駆動振幅を、最大効率となる値まで下げていく。

本実施形態では切換回転速度を４００ｐｐｓとする例を説明したが、切換回転速度に設定する数値はこれに限られるものではない。切換回転速度の数値を決定する方法の一例として、モータの静音性が維持される回転速度を予め測定しておき、この回転速度に対応するポイントを制御方式の切換ポイントに設定する方法がある。だだし、切換回転速度については静音性以外の要因（例えば、消費電力）に基づいて決定してもよく、その方法は限定されない。

図１４および図２０のフローチャートを参照して、制御方式の切換処理について説明する。ここでは図１４の処理（ステップ番号１２０１から１２１３）は説明済みであるため、本実施形態で追加された処理（１６００より大きいステップ番号を付与した処理）を説明する。

Ｓ１２１１からＳ１６０１に進む場合（姿勢変化が許容範囲内である場合）、Ｓ１６０１で進角制御部２０４は、目標回転速度が切換回転速度４００ｐｐｓより大きいか否かを判定する。目標回転速度が切換回転速度４００ｐｐｓより大きいことが判定された場合、Ｓ１６０２に進み、４００ｐｐｓ以下であることが判定された場合、Ｓ１６０６に進む。

Ｓ１６０２で進角制御部２０４は、前回の目標回転速度が切換回転速度４００ｐｐｓより大きいか否かを判定する。前回の目標回転速度が４００ｐｐｓより大きいと判定された場合、Ｓ１６０４に進み、４００ｐｐｓ以下であることが判定された場合、Ｓ１６０３に進む。

Ｓ１６０４で進角制御部２０４は、前回の目標回転速度として保持する値を今回の目標回転速度で更新し、Ｓ１６０５にて駆動波形の周期制御に移行させる。Ｓ１６０５の周期制御に関しては、図２１を用いて後述する。またＳ１６０３で進角制御部２０４は、前回の目標回転速度として保持する値を今回の目標回転速度で更新する。そのあとで進角制御部２０４は、一旦目標回転速度を４００ｐｐｓに設定してから、Ｓ１６０５の周期制御の処理へ移行させる。これは、図１８（Ａ）の矢印（２）で示した処理内容に対応する。Ｓ１６０５に示す駆動波形の周期制御が行われたあとで、リターン処理へ移行する。

Ｓ１６０６では進角制御部２０４は、急加速モードまたは急減速モードであるかどうかを判定する。急加速モードまたは急減速モードは、静音性等よりも急峻に目標速度へ到達させることを目的とした制御モードであり、閾値より大きい加速または減速の制御が行われる。急加速モードまたは急減速モードである場合、Ｓ１６０４の処理に移行し、Ｓ１６０５の周期制御方式が選択される。これは、図１９で示した処理内容に対応する。

Ｓ１６０６で急加速モード、急減速モードのいずれにも該当しない場合、Ｓ１６０７の処理に進む。Ｓ１６０７で進角制御部２０４は、前回の目標回転速度が４００ｐｐｓより大きいか否かを判定する。前回の目標回転速度が４００ｐｐｓ以下であると判定された場合には、前回からの振幅制御が継続され、Ｓ１６０８で進角制御部２０４は前回の目標回転速度として保持する値を今回の目標回転速度で更新する。そのあとで進角制御部２０４は、一旦目標回転速度を４００ｐｐｓに設定してから、Ｓ１２１３に示す振幅制御の処理に移行させる。これは、図１８（Ｂ）の矢印（２）で示した処理内容に対応する。

一方、Ｓ１６０７の判定処理にて、前回の目標回転速度が４００ｐｐｓより大きいと判定された場合にはＳ１６０９の処理に進む。Ｓ１６０９で進角制御部２０４は、前回の目標回転速度として保持する値を今回の目標回転速度で更新した後、Ｓ１２１３の振幅制御の処理へ移行する。尚、Ｓ１６０７の判定処理はＳ１６０２と同じ処理であるため、Ｓ１６０２での判定結果を保持しておき、Ｓ１６０７ではその保持した結果を使って処理を行ってもよい。

図２１を参照して、図２０のＳ１６０５に示す駆動波形の周期制御の処理を説明する。周期制御において進角制御部２０４はＳ１７０１で振幅（ｎ）を３．０Ｖに固定する。Ｓ１７０２で進角制御部２０４は現在の目標回転速度に応じた進角を目標進角として算出する。先述の通り、図１９の領域Ｔ１は進角と速度との関係が線形関係となるリニア領域であり、あらかじめ進角と回転速度との関係式を設定することで、Ｓ１７０２において目標進角を設定することが可能である。

Ｓ１７０３で進角制御部２０４は誤差量として、目標進角に対する検出された進角（ｎ）のずれ量を算出する。次いでＳ１７０４で進角制御部２０４は、算出された誤差量の大きさ（絶対値）がΔＰを超えているかどうかを判定する。誤差量に対する制御量の算出については振幅制御方式の場合と同様である。ΔＰについては、第１実施形態にて図９にて説明済みである。誤差量の絶対値がΔＰより大きいと判定された場合、Ｓ１７０５へ進み、誤差量の絶対値がΔＰ以下であると判定された場合、Ｓ１７０６へ進む。

Ｓ１７０５にて進角制御部２０４は周期調整量のゲインとして、大きなゲインＧ１を選択し、誤差量にゲインＧ１を乗算した大きな周期調整量を算出する。これにより、目標進角への引き込みを速くする周期調整量が算出される。

Ｓ１７０４からＳ１７０６へ進む場合には、目標進角への引き込みが完了しているので、進角制御部２０４は目標進角付近で進角が安定状態となる制御を行う。Ｓ１７０６で進角制御部２０４は周期調整量のゲインとして、Ｇ１に比べて小さなゲインＧ２を選択し、誤差量にゲインＧ２を乗算した小さな周期調整量を算出する。

Ｓ１７０５、Ｓ１７０６の処理後、Ｓ１７０７にて進角制御部２０４は、駆動波形の「周期（ｎ－１）」に対し、設定された周期調整量分だけ加算することで補正して、「周期（ｎ）」を算出する。進角制御部２０４は、「周期（ｎ）」の情報と、先に設定した駆動波形の振幅３．０Ｖとを駆動波形生成部２０５に出力して駆動波形の制御を行う。Ｓ１７０７の処理後、リターン処理へ移行する。

本実施形態によれば、モータ回転速度として高速域での速度、あるいは閾値を超える加速度、減速度が求められる場合に、目標速度まで高トルクでロータを回転させ、応答性を向上させることができる。また、モータ回転速度として低速域での速度、あるいはゆるやかな加速、減速が求められる場合に、静音性を維持しつつ、より効率的な駆動電圧でモータを駆動させることが可能となる。

前記実施形態によれば、制御対象の状態が変化した場合でも常に最適な進角量を目標進角として設定することによって、モータの回転効率を最大限に引き出し、高速化や省電力化を実現可能である。

１０１‥‥ステッピングモータ
１０４，１０５‥‥フォトインタラプタ
１０６‥‥スリット回転板
２０１‥‥コンパレータ
２０２‥‥回転位相検出部
２０３‥‥駆動波形周期生成部
２０４‥‥進角制御部
２０５‥‥駆動波形生成部
２０６‥‥モータドライバ部

Claims (22)

1. ステッピングモータのロータの回転位相を検出する検出手段と、
   前記ステッピングモータを駆動させる駆動波形を生成する生成手段と、
   前記ロータの回転位相と前記駆動波形の位相との位相差を検出し、前記駆動波形の振幅または周期を制御することにより、前記位相差を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記駆動波形の振幅の変化量に対する前記位相差の変化量から目標位相差を決定して前記駆動波形の振幅を制御する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御手段は、前記駆動波形の振幅を変化させたときの前記位相差の変化量を検出し、前記振幅の変化量と位相差の変化量との関係が予め定められた条件を満たすときの前記位相差を前記目標位相差に決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記制御手段は、前記駆動波形の振幅を変化させたときの前記位相差の変化に対応する前記目標位相差を設定し、前記目標位相差が設定された後に前記駆動波形の振幅制御により前記位相差を前記目標位相差に近づける制御を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記制御手段は、前記駆動波形の振幅を下げつつ前記位相差の変化量を検出し、前記駆動波形の振幅の変化量に対する前記位相差の変化量の比率が予め定められた条件を満たすときの前記位相差を前記目標位相差として設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御手段は、前記比率が閾値以上であるときの前記位相差から前記目標位相差を設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記制御手段は、前記ステッピングモータのコギングによる回転の変動、または前記ステッピングモータに加わる負荷の変動もしくは前記駆動波形のノイズによる回転の変動によって発生する前記位相差の変化量に基づく前記閾値を設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記制御手段が処理を行う周期における前記位相差の変化量は、前記周期で制御される前記駆動波形の振幅の変化量により変化する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
8. 前記制御手段は、前記駆動波形の振幅の変化量に対する前記位相差の変化量の比率が連続して増加する方向に変化したときの前記位相差を前記目標位相差として設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
9. 前記制御手段は、検出された前記位相差と設定された前記目標位相差との差分の大きさが閾値より大きい場合、前記駆動波形の振幅調整量を第１の調整量に設定し、前記差分の大きさが前記閾値より小さい場合、前記駆動波形の振幅調整量を前記第１の調整量より小さい第２の調整量に設定する
   ことを特徴とする請求項７に記載のモータ制御装置。
10. 前記制御手段は、
    前記ステッピングモータの回転速度を第１の回転速度とする第１の条件、および前記回転速度を第２の回転速度とする第２の条件を設定し、
    前記第１および第２の条件にてそれぞれ、前記駆動波形の振幅を変化させたときの前記位相差の変化量が、設定された条件を満たす前記位相差を前記目標位相差に設定し、
    前記第１および第２の回転速度と、前記第１および第２の回転速度にそれぞれ対応する前記目標位相差との関係から、前記回転速度と前記位相差との関係式を生成し、前記関係式を用いて前記ステッピングモータの目標回転速度に対応する前記目標位相差を算出する
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
11. 前記制御手段は、前記関係式として、前記回転速度と前記位相差との関係を表す一次式を生成する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のモータ制御装置。
12. 前記制御手段は、前記駆動波形の振幅を制御する第１の制御、または前記駆動波形の周期を制御する第２の制御を選択する
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
13. 前記制御手段は、前記ステッピングモータの目標回転速度が閾値より大きい場合、または閾値を越える加速もしくは減速を行う駆動モードが設定された場合、前記第２の制御を選択する
    ことを特徴とする請求項１２に記載のモータ制御装置。
14. 前記制御手段は、前記第１の制御から前記第２の制御に変更する場合、前記第２の制御にて予め定められた前記駆動波形の振幅に変更し、前記目標位相差を算出して前記駆動波形の周期を制御する
    ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のモータ制御装置。
15. 前記制御手段は、前記第２の制御から前記第１の制御に変更した場合、前記駆動波形の振幅の変化量に対する前記位相差の変化量から決定した前記目標位相差にしたがって前記駆動波形の振幅を制御する
    ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のモータ制御装置。
16. 前記制御手段は、前記位相差と前記ステッピングモータの回転速度との関係が線形関係である領域で前記駆動波形の振幅を選択し、前記駆動波形の周期を変更して前記回転速度の制御を行う
    ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のモータ制御装置。
17. 前記第２の制御にて前記制御手段は、検出された前記位相差と設定された目標位相差との差分の大きさが閾値より大きい場合、前記駆動波形の周期調整量を第１の調整量に設定し、前記差分の大きさが前記閾値より小さい場合、前記駆動波形の周期調整量を前記第１の調整量より小さい第２の調整量に設定する
    ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のモータ制御装置。
18. 前記制御手段は、前記ステッピングモータにより移動される移動部材の基準位置を設定するキャリブレーション時に前記ステッピングモータの目標回転速度に対する前記目標位相差の設定を行う
    ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
19. 前記制御手段は、前回のキャリブレーション時の装置の温度と現在の温度との差が閾値より大きい場合、次のキャリブレーション時に前記ステッピングモータの目標回転速度に対する前記目標位相差の設定を行う
    ことを特徴とする請求項１８に記載のモータ制御装置。
20. 前記制御手段は、前回のキャリブレーション時の装置の姿勢に対して現在の姿勢が変化した場合、次のキャリブレーション時に前記ステッピングモータの目標回転速度に対する前記目標位相差の設定を行う
    ことを特徴とする請求項１８に記載のモータ制御装置。
21. 請求項１から２０のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
    光学部材と、
    前記ステッピングモータと、を備え、
    前記モータ制御装置により制御される前記ステッピングモータが前記光学部材を移動させる
    ことを特徴とする光学機器。
22. ステッピングモータを制御するモータ制御装置にて実行されるモータ制御方法であって、
    前記ステッピングモータのロータの回転位相を検出する検出工程と、
    前記ステッピングモータを駆動させる駆動波形を生成する生成工程と、
    前記ロータの回転位相と前記駆動波形の位相との位相差を検出し、前記駆動波形の振幅または周期を制御することにより、前記位相差を制御する制御工程と、を有し、
    前記制御工程は、前記駆動波形の振幅の変化量に対する前記位相差の変化量から目標位相差を決定する工程と、決定された前記目標位相差にしたがって前記駆動波形の振幅を制御する工程を有する
    ことを特徴とするモータ制御方法。
    

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